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contact Segment / Piston / Chemise d’un moteur
thermique à combustion
François Pierre Ninove
To cite this version:
François Pierre Ninove. Texturation de surface par LASER femtoseconde en régime ElastoHydro-Dynamique et limite : application au contact Segment / Piston / Chemise d’un moteur thermique à combustion. Autre. Ecole Centrale de Lyon, 2011. Français. �NNT : 2011ECDL0043�. �tel-00688051�
THESE
présentée devantL'ECOLE CENTRALE DE LYON pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité : Mécanique
Par
FRANÇOIS-PIERRE NINOVE
-
I
NGENIEURI
STIL-
TEXTURATION DE SURFACE PAR LASER FEMTOSECONDE
EN REGIMES ELASTOHYDRODYNAMIQUE ET LIMITE
Application au contact Segment / Piston / Chemise d’un moteur thermique
à combustion
Soutenue le 13/12/2011 devant la commission d’examen composée de MM.
J. DENAPE Rapporteur LGP, ENI de Tarbes
G. MONTEIL Rapporteur LMS, ENSMM de Besançon
D. MAZUYER Directeur LTDS, Ecole Centrale de Lyon
T. MATHIA Co-directeur LTDS Ecole Centrale de Lyon
M. BIGERELLE Membre invité UTC, Université de Valenciennes
C. DONNET Membre invité LHC, Université de Saint Etienne
Numéro d’ordre : ECL 2011-43 Année 2011
THESE
présentée devantL'ECOLE CENTRALE DE LYON pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité : Mécanique
Par
FRANÇOIS-PIERRE NINOVE
-
I
NGENIEURI
STIL-
TEXTURATION DE SURFACE PAR LASER FEMTOSECONDE
EN REGIMES ELASTOHYDRODYNAMIQUE ET LIMITE
Application au contact Segment / Piston / Chemise d’un moteur thermique
à combustion
Soutenue le 13/12/2011 devant la commission d’examen composée de MM.
J. DENAPE Rapporteur LGP, ENI de Tarbes
G. MONTEIL Rapporteur LMS, ENSMM de Besançon
D. MAZUYER Directeur LTDS, Ecole Centrale de Lyon
T. MATHIA Co-directeur LTDS Ecole Centrale de Lyon
M. BIGERELLE Membre invité UTC, Université de Valenciennes
C. DONNET Membre invité LHC, Université de Saint Etienne
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Table des matières
Remerciements ... 9
Nomenclature ... 11
Introduction générale ... 15
Chapitre 1. Bibliographie sur les pertes par frottement ... 17
1.1. Le contrôle des pertes par frottement dans un moteur à combustion interne ... 18
1.1.1. Généralités sur le frottement de surfaces rugueuses ... 18
1.1.2. Principes de la lubrification ... 18
1.1.3. Application au moteur thermique ... 22
1.1.3.1. Généralités ... 22
1.1.3.2. Description de la segmentation ... 24
1.1.3.3. Lubrification de la segmentation ... 25
1.2. La texturation de surface ... 26
1.2.1. Qu'est-ce que la texturation de surface ... 26
1.2.2. Texturation biomimétique ... 27
1.2.2.1. La peau de requin ... 27
1.2.2.2. L’effet Lotus ... 28
1.2.3. Texturation par voie physique et chimique ... 28
1.2.4. Texturation par L.A.S.E.R. ... 31
1.3. Influence de la texturation de surface en régimes de lubrification variés ... 31
1.3.1. Frottement sec ... 31
1.3.2. Frottement en régime Limite (LL)... 33
1.3.3. Frottement en régime ElastoHydroDynamique (EHD) ... 42
1.3.4. Frottement en régime Hydrodynamique (HD) ... 46
1.3.5. Frottement en segmentation ... 49
1.4. Synthèse et Conclusion du chapitre 1 ... 52
Chapitre 2. Caractérisations morphologiques des surfaces texturées ... 55
2.1. Techniques de caractérisations morphologiques des surfaces ... 57
2.1.1. Systèmes tactiles ... 57
2.1.1.1. Rugosimètre tactile ... 57
2.1.1.2. Microscope à Force Atomique (AFM) ... 57
2.1.2. Systèmes non tactiles ... 59
2.1.2.1. Microscope confocal chromatique ... 59
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2.1.2.3. Microscope interférométrique à lumière blanche (WLI) ... 60
2.1.2.4. Tribomètre IRIS ... 61
2.1.3. Bilan sur les techniques de mesure ... 64
2.2. Analyse multi-échelle de la morphologie de surface... 66
2.2.1. Paramètres 2D et 3D d’évaluation de la morphologie ... 66
2.2.1.1. Paramètres usuels ... 66
2.2.1.2. Courbe d’Abbott Firestone (ou courbe de portance) ... 68
2.2.2. Applications aux surfaces fonctionnalisées ... 71
2.2.2.1. Surfaces pierrées ... 71
2.2.2.2. Surfaces texturées ... 73
2.2.2.3. Surfaces hybrides ... 76
2.3. Morphologie des surfaces texturées et fonction tribologique ... 79
2.3.1. Effet d’une texture sur l’épaisseur de lubrifiant ... 79
2.3.2. Effets d’un réseau de textures sur l’épaisseur de lubrifiant ... 80
2.3.3. Effets transitoires d’une microcavité sur la distribution d’épaisseur du film lubrifiant d’un contact EHD 82 2.3.4. Effet d’un défaut morphologique de la cavité ... 83
2.4. Conclusions ... 86
Chapitre 3. Etude tribologique du régime ElastoHydroDynamique ... 88
3.1. Contact roulant-glissant en film épais ... 90
3.1.1. Protocole expérimental ... 90
3.1.2. Réponse en traction d’une surface lisse de référence ... 91
3.1.3. Réponse en traction d’une surface texturée ... 93
3.1.3.1. Effet de la géométrie des textures ... 93
3.1.3.2. Effet du temps de résidence ... 95
3.2. Contact en écoulement continu d’épaisseur de film faible ... 97
3.2.1. Protocole expérimental ... 97
3.2.2. Surface texturée avec une cavité unique ... 100
3.2.2.1. Epaisseur de lubrifiant en aval de la cavité ... 100
3.2.2.2. Réponse en frottement d’une cavité ... 101
3.2.2.3. Discussion sur la rétention de l’huile par les cavités ... 103
3.2.3. Surface texturée avec un réseau de cavités ... 107
3.2.3.1. Distribution des épaisseurs de film lubrifiant ... 107
3.2.3.2. Réponse en frottement d’un réseau de cavités ... 109
3.3. Discussions et conclusions ... 111
3.3.1. Paramètres clés dans le contrôle du frottement et de la portance ... 111
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3.3.3. Modèle de lubrification transitoire en présence de surfaces texturées ... 115
3.3.3.1. Equation de Reynolds transitoire ... 115
3.3.3.2. Application à une bille texturée avec une cavité unique ... 116
3.3.3.3. Application à une bille texturée avec plusieurs cavités ... 118
3.3.4. Conclusions ... 120
Chapitre 4. Etude tribologique du régime de Lubrification Limite ... 123
4.1. Introduction ... 125
4.1.1. Interface SPC et interface d’étude ... 125
4.1.2. Préambule sur la lubrification limite ... 127
4.1.3. Tribomètre choisi ... 128
4.1.4. Méthodologie expérimentale... 128
4.1.4.1. Conditions opératoires ... 128
4.1.4.2. Analyse des résultats en surface NON texturée ... 130
4.1.4.3. Démarche de l’étude en surfaces texturées ... 135
4.2. Analyse des résultats expérimentaux ... 137
4.2.1. Effets de la géométrie de la texture ... 137
4.2.1.1. Influence du diamètre des cavités ... 137
4.2.1.2. Influence de la profondeur des cavités ... 139
4.2.2. Effets de la localisation de la zone texturée ... 140
4.2.2.1. Résultats expérimentaux de la localisation de textures ... 140
4.2.2.2. Variation de la surface apparente de contact et approche énergétique ... 143
4.2.2.3. Interprétation sur le rôle des textures ... 145
4.3. Perspectives et synthèses du chapitre 4 ... 148
Conclusion générale ... 151
Références Bibliographiques ... 153
Table des figures ... 160
Table des tableaux ... 168
Annexes ... 170
Annexe 1. Protocoles expérimentaux ... 170
Annexe 2. Courbes caractéristiques des lubrifiants ... 171
Annexe 3. Modèle 1D surface texturée ... 173
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Remerciements
Cette thèse est issue du projet ‘Véhicules Propres et Economes’ financé par PREDIT lui-même porté par l’ADEME et l’ANR avec la collaboration du Laboratoire de Tribologie et de Dynamique des Systèmes, du laboratoire Hubert Curien et des industriels PSA, Lubrizol, Mahle et Impulsion.
Je remercie tout d’abord Denis Mazuyer, directeur de thèse et directeur du LTDS, pour m’avoir accordé sa confiance et son aide tout au long de ma thèse ainsi que pour sa relecture méticuleuse du manuscrit. Je remercie Monsieur Thomas Mathia, qui a co-encadré ce travail de thèse, pour son soutien constant, sa patience, pour nos nombreuses discussions passionnées et pour l’amitié qu’il a su m’accorder.
Je suis grandement reconnaissant à messieurs Jean Denape et Guy Monteil de m’avoir fait l’honneur de rapporter mon travail. Je tiens à remercier également Maxence Bigerelle pour avoir examiné mon manuscrit et Christophe Donnet pour avoir présidé ce jury de thèse.
Je voudrais remercier l’ensemble des partenaires du projet à commencer par Mehdi El Fassi de PSA Peugeot Citroën, Hervé Soder et Romain Jouglet de Impulsion, Gérard Monnin de la société Lubrizol, la société Mahle et, Christophe Donnet et Eric Audouard du LHC.
Je tiens à remercier tout particulièrement les membres de la société Altimet, Serge Carras et Patrice Belin ; qu’ils trouvent ici ma profonde gratitude pour leur soutien et collaboration.
Je remercie l’ensemble des membres du LTDS qui ont largement contribué au bon déroulement de cette thèse. Une pensée à tous ceux qui m’ont entouré et que j’ai croisé tout au long de ces 4 ans et demi (master puis thèse) en commençant par la Fretting team : Jean-Mi, Krishtof, Tomasz, Pawel, Katia, Samuel, Radek, Marie-Lise, Rafik, Siegfried ; Juliette, un grand merci pour l’aide finale et indispensable que tu m’as apporté. Les grands-frères/sœurs qui cheminaient en 3A : Fabrice, Maxime F, Cédric, Karim, Mélanie, Marion, Momo, Pierre-Henri, Gaétan, David, Etienne, Aleksandra, Anton, Johny, Christine, Maxime R, Jean; et ceux qui ont rédigé en même temps que moi : Keny, Paule, Romain, Zélie, Jessica, Leslie, Younes, Rémi, Stéphane, Sam, Imen, Vanessa. Sans oublié une pensée particulière pour l’organisation de la célèbre édition 2010 du CRIEC !
Je remercie ma famille pour son soutien et mes amis David, Annabelle, Marion, Brian, Stéph, Rémy et Marjorie. Je remercie ma petite dose pour son soutien inconditionnel et sa patience.
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Nomenclature
Acronymes
ADEME : Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie
AFM : Microscope à Force Atomique
ANR : Agence Nationale de la Recherche
BSE : Back Scattered Electron
EHD : ElastoHydroDynamique
HD : HydroDynamique
LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LL : Lubrification Limite
MEB : Microscope Electronique à Balayage
PMB : Point Mort Bas
PMF : Pertes Moteurs par Frottement
PMH : Point Mort Haut
PREDIT : Programme de Recherche dans l'Innovation des Transports terrestres
RPFM : Réduction des Pertes par Frottement dans les Moteurs à combustion interne
SE : Secondary Electron
SPC : Segment-Piston-Chemise
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NotationsSymbole Désignation Dimension
a demi-largeur de contact [m]
d profondeur d’une microcavité [m]
h épaisseur de lubrifiant [m]
hc épaisseur de lubrifiant au centre du contact [m]
hcavité épaisseur de lubrifiant en aval de la cavité [m]
t0 temps de résidence à Σ = 0 (Roulement pur) [s]
td temps de résidence d’une microcavité dans le contact à Us donnée [s]
temps de présence de la cavité dans le contact adimensionné par le temps
nécessaire à la cavité pour parcourir la totalité du contact [%]
C Couple de frottement [N.m]
E module d’Young [Pa]
E* module d’Young modifié [Pa]
FN force normale [N]
H nombre d’Hersey [-]
N nombre de cycle [N]
Ncavité nombre de cavité [-]
Pcontact Pression de contact [Pa]
PHertz pression de contact hertzienne [Pa]
Pinj puissance dissipée dans l’interface par unité de surface [W/m²]
Ra moyenne arithmétique [m]
RC rayon de courbure d’une microcavité [m]
Rq moyenne quadratique [m]
Rsk moment d’ordre 3 ou facteur d’asymétrie [-]
Rku moment d’ordre 4 ou facteur d’aplatissement [-]
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Rpk hauteur des pics [m]
Rvk hauteur des creux [m]
Scontact,
Stexture
surface de contact, surface texturée [m²]
T température [°C]
Ts taux surfacique de surface texturée sur la surface lisse [%]
Tv taux volumique des microtextures sur le volume de lubrifiant à l’interface [%]
Ue vitesse d’entrainement [m/s]
Ug vitesse de glissement [m/s]
Vplan vitesse linéaire du plan [m/s]
Vrot vitesse de rotation [m/s]
Vsphère vitesse linéaire de la sphère [m/s]
Vcontact volume de fluide dans le contact [m3]
Vtexture volume des textures [m3]
α coefficient de piézo-viscosité [Pa-1]
δcontact distance du centre du contact au centre du disque [m]
η viscosité dynamique à une température donnée [Pa.s]
Σ taux de glissement ou Sliding Rolling Ratio (SRR) [%]
ν coefficient de poisson [-]
µ coefficient de frottement [-]
variation du coefficient de frottement [%]
τ contrainte de cisaillement [Pa]
τCouette contrainte de Couette [Pa]
τPoiseuille contrainte de Poiseuille [Pa]
Δµ différence entre µtexture et µlisse -
Δh différence entre htexture et hlisse [m]
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Introduction générale
La pollution atmosphérique constitue l'une des préoccupations majeures de ce début de siècle en raison des dangers qu’elle présente pour l’environnement et la santé humaine. L’union européenne a mis en place des spécifications de plus en plus sévères destinées à réduire l’émission des polluants tels que : les particules en suspension, les oxydes de carbone, d'azote et de soufre... Le marché automobile doit recourir à de nouvelles technologies pour que ses futurs moteurs et systèmes de post-traitement répondent à ces engagements, en cohérence avec ses objectifs de performance et de rentabilité.
Depuis une quinzaine d’années, de nombreux projets de recherche ont vu le jour pour aider les industriels à améliorer la performance des moteurs vis-à-vis des pertes mécaniques par frottement. Notamment, le Programme de Recherche et d’Innovation dans les Transports terrestres (PREDIT) de l’ADEME a financé à partir de 1997 des études d’optimisation de l’usinage des chemises moteur. Ces recherches ont mis en évidence l’influence forte de l’état de surface des chemises moteurs sur le frottement au niveau du contact segments-piston-chemise (SPC). L’optimisation des stries d’usinage a ainsi permis une réduction du frottement au milieu de la course du piston, en régime hydrodynamique. Au global, ces évolutions ont conduit à une réduction d’environ 20 % du niveau de frottement de l’ensemble SPC, générant une économie en carburant de l’ordre de 2 %. Ces travaux ont été poursuivis avec le programme ADEME n°0166081 (2002-2006) dont l’objectif était d’optimiser la topographie des chemises afin de réduire le frottement du contact SPC sans détériorer la consommation d’huile [1]. Dans ce cadre, le CMM (Centre de Morphologie Mathématique) de l’ENSMP a obtenu un résultat intéressant en démontrant l’effet bénéfique de la présence de texturation, sous la forme d’une cavité hémisphérique. Ce motif particulier, étudié uniquement dans le cas du régime hydrodynamique, semble améliorer la circulation de lubrifiant dans l’axe normal au déplacement. Il importe donc de poursuivre ce travail pour établir des paramètres de textures topographiques et morphologiques optimisés adaptés aux sollicitations sévères du contact SPC : les régimes de lubrification ÉlastoHydroDynamique (EHD) et limite (LL).
Dans cette optique, le projet “Véhicules Propres et Economes“, financé par PREDIT avec la collaboration des industriels PSA, Lubrizol, Mahle et Impulsion, a été lancé en 2007 afin d’étudier les voies d’optimisation du rendement mécanique des moteurs thermiques. Dans ce cadre, cette thèse vise à améliorer la compréhension des phénomènes de lubrification mis en jeu lors de la modification de la morphologie de surface dans un contact SPC en régimes EHD et LL. Le procédé retenu repose sur la texturation de surface par LASER femtoseconde sous la forme de cavités hémisphériques. La démarche expérimentale choisie consiste notamment à étudier l’impact de la densité de textures via des configurations modèles afin d’en extraire les paramètres morphologiques et tribologiques qui gouvernent l’évolution du frottement et la distribution d’épaisseur de film lubrifiant.
Ce manuscrit de thèse est structuré en quatre chapitres. Dans un premier temps, le sujet de la thèse est positionné dans son contexte industriel et scientifique, notamment à travers un état de l’art des processus de texturation et des principales recherches sur l’influence des surfaces texturées en tribologie. Le second chapitre introduit les techniques nécessaires à la caractérisation de la
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morphologie, corrélées avec les paramètres d’analyse 2D et 3D et avec la fonctionnalité de la surface. Le troisième chapitre propose une analyse en régime élastohydrodynamique des effets de la microtexturation de surface sur le coefficient de frottement et la distribution d’épaisseur de lubrifiant. Différents paramètres sont analysés tels que le cisaillement interfacial et l’épaisseur de film lubrifiant. Le dernier chapitre identifie les influences respectives, sur les coefficients de frottement moyen et instantané, de la localisation et des paramètres morphologiques de la microtexturation en régime limite.
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Chapitre 1. Bibliographie sur les pertes par frottement
Chapitre 1. Bibliographie sur les pertes par frottement ... 17
1.1. Le contrôle des pertes par frottements dans un moteur à combustion interne ... 18
1.1.1. Généralités sur le frottement de surfaces rugueuses ... 18
1.1.2. Principes de la lubrification ... 18
1.1.3. Application au moteur thermique ... 22
1.1.3.1. Généralités ... 22
1.1.3.2. Description de la segmentation ... 24
1.1.3.3. Lubrification de la segmentation ... 25
1.2. La texturation de surface ... 26
1.2.1. Qu'est-ce que la texturation de surface ... 26
1.2.2. Texturation biomimétique ... 27
1.2.2.1. La peau de requin ... 27
1.2.2.2. L’effet Lotus ... 28
1.2.3. Texturation par voie physique et chimique ... 28
1.2.4. Texturation par L.A.S.E.R. ... 31
1.3. Influence de la texturation de surface en régimes de lubrification variés ... 31
1.3.1. Frottement sec ... 31
1.3.2. Frottement en régime Limite (LL) ... 33
1.3.3. Frottement en régime ElastoHydroDynamique (EHD) ... 42
1.3.4. Frottement en régime Hydrodynamique (HD) ... 46
1.3.5. Frottement en segmentation ... 49
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1.1. Le contrôle des pertes par frottement dans un moteur à combustion
interne
1.1.1. Généralités sur le frottement de surfaces rugueuses
La caractérisation de la topographie de surface est importante dans les applications impliquant le frottement, la lubrification, et l'usure [2]. De façon générale, on observe une augmentation du frottement avec la rugosité moyenne. Les paramètres de rugosité apparaissent donc importants dans les applications telles que les garnitures de frein d'automobile, les pneus, et plus généralement les surfaces impliquant un contact (semelle de ski, engrenages, etc..). L'effet de la rugosité sur la lubrification a été également étudié pour déterminer son impact sur la lubrification des surfaces de glissement, des surfaces conformes, et de la fatigue des roulements [3-5].
1.1.2. Principes de la lubrification
Pour éviter d’atteindre des taux de cisaillement extrêmes entre deux solides rigides en contact et en mouvement relatif, un film de matériau lubrifiant peut être interposé entre leurs surfaces. L’étude de la lubrification rassemble ainsi l’ensemble des connaissances relatives au diagnostic et à l’amélioration de l’efficacité de ces films protecteurs, afin d’accroître le contrôle du frottement et de l’usure des interfaces mécaniques, et de prévenir leur endommagement.
En principe, l’intensité des sollicitations tribologiques vues par l’interface dicte l’état physique du film de lubrifiant à utiliser : gaz, liquide, ou solide. Les lubrifiants solides sont généralement requis pour maintenir une séparation efficace des surfaces portantes dans le cas de sollicitations extrêmes. A l’inverse, la lubrification sous phase gazeuse (écoulement, ou gaz sous pression) est plus adaptée aux interfaces peu contraintes, et peut permettre d’atteindre des vitesses très élevées sans aucun contact matériel (comme par exemple dans le cas des guidages aérostatiques). Mais à l’heure actuelle, dans l’industrie automobile, les lubrifiants liquides sont préférés pour la grande majorité des contacts mécaniques. Généralement, ils forment des films très minces et difficiles à observer, dont les épaisseurs sont communément comprises entre 0,1 µm et 10 µm.
La principale fonction de la lubrification liquide consiste à minimiser les interactions destructives entre surfaces antagonistes, en séparant ces dernières de façon la plus complète possible. Cela est notamment permis grâce à l’accommodation de la vitesse relative des surfaces par cisaillement au sein de l’épaisseur du film fluide, et grâce au phénomène de portance hydrodynamique générée par le lubrifiant. Il contribue aussi de façon importante à évacuer la chaleur et les débris d’usure émis par le fonctionnement des surfaces en contact. Les performances d’un lubrifiant liquide sont évaluées à travers deux aspects fondamentaux : sa capacité à porter l’interface aux niveaux de frottement et d’usure requis, et son aptitude à la maintenir à ces niveaux en dépit de sa propre dégradation permanente.
Son efficacité est directement dépendante de ses propriétés physiques (viscosité, dépendance de la viscosité à la température et à la pression, point d’écoulement, volatilité, etc...) et chimiques (combustibilité, stabilité à l’oxydation, stabilité thermique, dispersivité, etc...), dictées par sa
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composition. La formulation des lubrifiants fait généralement intervenir une base lubrifiante (une huile minérale ou synthétique pour une huile formulée ou une graisse, de l’eau pour une émulsion ou une dispersion) déterminant ses propriétés globales, ainsi qu’un ensemble d’additifs (anti-usure, extrême pression, améliorant d’indice de viscosité, de point d’écoulement, détergents, dispersants, antioxydants, etc...) lui conférant différentes fonctions.
Tous ces éléments montrent que la science de la lubrification est complexe et imposent de considérer le système dans le cadre d’une approche globale alliant physique, chimie, mécanique et rhéologie. Afin d’appréhender les phénomènes agissant à l’interface sans rentrer dans les problématiques de couplages multi physiques, il est possible, en première approximation, d’utiliser les travaux concernant l’influence des paramètres de vitesse, force et viscosité sur la friction interfaciale, que l’on retrouve notamment avec la courbe de Stribeck.[6].
Dans cette approche, explorée initialement dans le but de trouver des solutions aux problèmes de roulements/paliers dans le domaine ferroviaire (Gustave A. Hirn 1854, Robert H. Thurston 1879, Beauchamp Tower 1883 [7]), puis reprise expérimentalement par Adolf Martens en 1888 et Richard Stribeck en 1902 qui donna son nom à la courbe, le coefficient de frottement est tracé en fonction du produit de la vitesse et de la viscosité divisé par la force normale. Ces nombreux auteurs ont conduit des expérimentations qui prouvent l’existence d’un minimum du coefficient de frottement avec la variation de la vitesse. Ceci démontre la présence d’une transition au sein de l’interface. Il sera défini plus loin les détails de cette transition. Mais la raison pour laquelle le nom de Stribeck est resté réside dans le fait que ces travaux ont été publiés dans le journal technique allemand le plus important de l’époque. A titre d’exemple, la Figure 1-1 illustre les résultats des travaux de Stribeck [6, 8] sur le frottement des roulements à billes et à rouleaux.
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Figure 1-1 - Comparaison des réponses en frottements pour différents types de roulements [8]. Par la suite, Hersey [9] montra plus tard que le frottement est fonction des paramètres suivants :
où η la viscosité dynamique, Vrot, la vitesse de rotation, Pcontact la pression de l'huile, a la largeur de
contact et H le nombre d’Hersey ainsi défini .Taylor a introduit un diagramme de Stribeck modifié montrant l’impact du ratio épaisseur de film divisée par la rugosité des surfaces sur l’évolution du cœfficient de frottement [10, 11]. Cette représentation s’avère avantageuse car l’épaisseur englobe les paramètres évoqués précédemment, vitesse, charge, et quantité d’huile.
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Figure 1-2 - Illustration des régimes de lubrification et évolution du coefficient de frottement en fonction du ratio épaisseur de film lubrifiant sur la rugosité de surface [10, 11].
On distingue différents régimes de lubrification sur le diagramme de la Figure 1-2 :
- Le régime limite (contact sec/lubrifié à frottement élevé) : cas de fonctionnement le plus sévère. Il y a contact métallique aspérités-aspérités des surfaces malgré la présence de lubrifiant. Les conditions expérimentales de pression et de vitesse ne permettent pas de créer de portance.
- Le régime mixte de transition (dit mixte et ElastoHydroDynamique) : les conditions opératoires autorisent la création d’une portance hydrodynamique. La force normale appliquée est supportée par les aspérités et le film lubrifiant.
- Le régime HydroDynamique (contact correctement puis abondamment lubrifié) : le film lubrifiant porte entièrement les surfaces.
La version proposée par Taylor ne sera pas retenue car l’hypothèse d’une épaisseur de lubrifiant en régime limite est trop forte et le seul paramètre de rugosité arithmétique moyenne de surface n’est plus pertinent en présence de surfaces texturées. Bien que développée initialement dans le cas de contacts lubrifiés rotatifs continus, la courbe de Stribeck permet une bonne description des transitions phénoménologiques interfaciales et sera donc utilisée ici dans le cas de cinématique linéaire alternative, en fonction du nombre d’Hersey.
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1.1.3. Application au moteur thermique
1.1.3.1. Généralités
Un moteur à combustion interne à pistons 4 temps présente un rendement global qui varie aujourd’hui selon le point de fonctionnement moteur entre 0,2 et 0,3. Celui-ci résulte d’une chaîne de rendements distincts qui correspondent à différents processus ayant lieu au sein du moteur : combustion incomplète, pertes thermiques vers le carter et l’échappement, pertes par frottement mécaniques des pièces en mouvement du moteur. C’est précisément l’amélioration du rendement mécanique qui motive les recherches actuelles sur la lubrification. Selon les conditions d’utilisation, on peut aujourd’hui considérer que 10 à 20 % de la puissance contenue dans le carburant moteur est absorbée par la puissance mécanique par frottement. Une estimation réalisée par FEV, société allemande spécialisée dans la recherche, le développement et le design de moteurs et moyens de transmissions [12] estime qu'une réduction de moitié du frottement moteur se traduirait par une diminution de 12 % de la consommation carburant sur cycle NEDC (New European Driving Cycle – cycle de conduite utilisé pour mesurer la consommation et les émissions polluantes des véhicules) (Figure 1-3).
Figure 1-3 - Impact du frottement et de la masse sur la consommation carburant [12].
Concrètement, un moteur à allumage par compression (moteur diesel) performant de génération actuelle verrait son émission moyenne en gaz à effets de serre passer de 140 gCO2/km à 123
gCO2/km. L’amélioration du rendement mécanique des moteurs à combustion interne relève des
domaines de la lubrification et de la tribologie. Les principaux systèmes en mouvement et donc susceptibles de générer des frottements dans un moteur à combustion interne sont illustrés Figure 1-4. On distingue notamment :
- la distribution,
- les éléments paliers/vilebrequin et paliers/bielles, - les accessoires comme la pompe à huile…,
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Figure 1-4 - Principaux postes de frottement moteur. Parmi ces éléments, la distribution a pour rôle de :
transformer le mouvement de la poulie ou du pignon de distribution en ouvertures contrôlées des conduits,
transmettre le mouvement de la poulie aux accessoires (compresseur de climatisation, alternateur, pompe haute pression Common-rail, pompe à eau),
transmettre de l’huile aux paliers,
transmettre l’information de positions des pistons au capteur,
Les éléments paliers - vilebrequin et paliers - bielles sont destinés à transformer le mouvement linéaire rectiligne non uniforme des pistons en un mouvement continu de rotation.
La pompe à huile permet d’assurer la lubrification des postes de frottement énoncés plus haut (paliers, linguetterie, segment, vilebrequin, etc…).
Pour un moteur diesel actuel la contribution aux Pertes Mécaniques par Frottement (PMF) de ces différents organes mécaniques en mouvement se répartit comme présenté sur la Figure 1-5.
Figure 1-5 - Localisation et estimation des principaux postes des pertes mécaniques par frottements dans un moteur thermique (Source PSA Peugeot-Citroën).
L’ensemble SPC est la zone du moteur où les PMF sont les plus significatives à cause des sollicitations tribologiques étendues et notamment des gradients élevés en vitesse, pression, température, distance de glissement.
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1.1.3.2. Description de la segmentation
Actuellement un piston est classiquement constitué de 3 segments cités dans l’ordre de haut en bas :
segment coup de feu
segment d’étanchéité
segment racleur
a) b)
Figure 1-6 - Système segments – piston- chemise a) et segment seul b)
La Figure 1-6 a) illustre l’ensemble de la segmentation. Dans la suite, il est capital de ne pas perdre de vue que le segment (Figure 1-6 b) ), pièce la plus délicate du moteur, est un anneau ouvert élastique formant un joint coulissant entre le piston (qui le déplace mais dont il est indépendant) et le cylindre qui le met sous tension et lui impose sa forme.
Dans des conditions de refroidissement défavorables et sous un chargement thermo-mécanique alterné complexe, le segment doit répondre principalement aux exigences suivantes : absence de déformation, non-rupture, usure faible, comportement tribologique permettant d’assurer l’étanchéité.
La contribution de chaque segment et du piston au frottement SPC est schématisée Figure 1-7. Le frottement est majoritairement concentré sur les segments coup de feu et racleur. Le segment coup de feu est le segment qui est impliqué dans les conditions les plus sévères. Ce sera donc pour ce dernier qu’est envisagée la texturation de surface. Néanmoins, les conclusions de l’étude devraient pouvoir être étendues à l'optimisation des surfaces du segment racleur.
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1.1.3.3. Lubrification de la segmentation
Les principaux contacts générant du frottement dans un moteur à combustion interne sont de natures différentes selon la vitesse, la pression de contact et les caractéristiques de l’huile (viscosité, additifs,…). Historiquement, le coefficient de frottement moyen est étudié en régime établi. Son évolution est analysée en fonction du nombre d’Hersey. Ce type d’observation est utilisé pour caractériser les contributions relatives des portances d'origine hydrodynamique et celles dues aux contacts solides. La courbe de Stribeck permet de déterminer pour un contact donné les régimes de lubrification détaillés au paragraphe 1.1.2. On positionne les principaux postes de pertes par frottement du moteur sur cette courbe de Stribeck où l’on peut observer la gamme large occupée par le contact SPC (Figure 1-8).
Figure 1-8 - Régimes de lubrification des principaux postes de PMF dans le moteur (de gauche à droite) : came/poussoir, SPC, maneton/bielle/coussinet positionnés sur la courbe de Stribeck en fonction du nombre de Hersey.
Le contact segment/chemise a été longtemps étudié et modélisé du point de vue hydrodynamique [13-16]) et élastohydrodynamique [17]. Cependant, comme le montre la Figure 1-8, les conditions tribologiques rendues sévères par l'augmentation des charges amènent le contact SPC à fonctionner à la frontière des régimes mixte et limite [13, 18-22]. Ceci se traduit par une contribution majoritaire du frottement limite (Figure 1-9) et corrélativement par une augmentation significative de la dissipation d'énergie au sein de l'ensemble SPC.
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Il apparait donc essentiel de renforcer la compréhension fondamentale des mécanismes de frottement dans ces régimes de lubrification afin d'élaborer des solutions permettant de réduire le cisaillement interfacial. L'optimisation de la morphologie de surface est une des voies possibles actuellement explorées pour atteindre cet objectif. La suite du chapitre sera consacrée à établir un l’état de l’art critique sur le rôle de la topographie de surface et l'utilisation de la texturation pour le contrôle du comportement tribologique des contacts secs ou lubrifiés.
1.2. La texturation de surface
Dans le cadre de cette étude, nous adoptons une démarche multidisciplinaire qui s'appuie sur un triptyque schématisé sur la Figure 1-10 et qui consiste à relier trois concepts fondamentaux : le processus de création, la caractérisation et la fonctionnalité de la surface [23]. Plus précisément, la stratégie de réduction de la friction interfaciale utilise l'optimisation de la finition de surface (le Procédé) afin de contrôler le frottement tout en assurant l'étanchéité au niveau de la segmentation (la Fonction) ce qui nécessite une expertise et une analyse multi-échelle par le biais d’équipements topographiques, d’outils et de normes dédiés (la Caractérisation). L’optimisation de la finition de la surface par LASER femtoseconde, étudiée notamment lors des travaux de Mourier [24], constitue un champ d’investigation à part entière. Dans le cadre de cette thèse, les travaux se focaliseront sur le diptyque Fonction - Caractérisation.
Figure 1-10 - Illustration du concept d'approche globale concernant la surface : tryptique Procédé/Caractérisation/Fonction.
1.2.1. Qu'est-ce que la texturation de surface
Le mot "texture" trouve sa racine dans le verbe latin "texere" qui désigne l'action de tisser et la liaison de ce qui est tissé. Dans l’industrie alimentaire, la texture est définie comme la qualité
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physique des aliments liée à leur densité, leur viscosité, leur caractère homogène, leur dureté“ (Clém. Alim. 1978). La signification de ce substantif et des termes qui en dérivent sera restreint dans la suite du document à son sens courant et normalisé à savoir la rugosité, l’ondulation de surface et l’orientation de stries. Différents modes de texturation seront présentés ci-dessous, d’une part ceux issus de la nature - et que l’homme essaye de copier et d’autre part ceux qui résultent de procédés technologiques souvent à étapes multiples comme par exemple la modification de l’état de surface par LASER. Ce dernier procédé est largement étudié dans ce travail afin de déterminer l’influence de la surface modifiée dans l’interface de contact.
1.2.2. Texturation biomimétique
Bien avant l'homme, de nombreux êtres et/ou formes vivantes utilisent la texturation pour s’adapter à leurs milieux et leur environnement comme l'illustrent les quelques exemples qui vont suivre.
1.2.2.1. La peau de requin
Elle est si rugueuse qu'auparavant on s'en servait comme de la toile émeri. Mais, c’est à l’échelle microscopique qu’elle recèle des motifs intéressants. La peau du requin présente d'innombrables denticules cutanés (dents modifiées) alignés en plusieurs rangées qui canalisent l'eau et produisent ainsi un écoulement laminaire réduisant les phénomènes de résistance hydrodynamique (Figure 1-11). Des études quantifiant les effets de la peau de requin ont montré une diminution significative de la traînée pour certaines espèces de requin associée à une chute de 10 % de la contrainte de cisaillement [25]. De plus, cette structure singulière de la peau permet au requin d'être quasiment silencieux dans l'eau ce qui constitue un avantage certain pour un tel prédateur. Actuellement, une multitude d’applications sont développées sur la base de ce modèle de texturation. La société 3M a créée sur ce principe un adhésif présentant un film cannelé qui limite de manière substantielle le frottement et se traduit, lorsqu’il est appliqué partiellement sur un avion, par une baisse de consommation en carburant allant jusqu'à 4 %. Ainsi, une expérience réalisée en conditions de vol sur un Airbus A320 a permis d’estimer selon l’importance de l’avion et du temps de vol annuel un gain de 50,000 à 150,000 litres de kérosène par an [26].
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1.2.2.2. L’effet Lotus
Un autre exemple peut être cité dans le monde des végétaux, en l'occurrence la feuille de lotus qui a donné lieu à l'effet du même nom. Il s’agit d’un phénomène physique mettant en jeu des interactions d'origine capillaire entre l'eau et la surface dite "super-hydrophobe" que présentent certaines plantes pour nettoyer leurs feuilles, tout en les maintenant sèches. Le Lotus parvient ainsi à se développer dans des milieux humides et boueux tout en gardant ses feuilles propres. L'observation fine par MEB de la surface d’une feuille de lotus (Figure 1-12), permet de découvrir qu'elle est constituée d'un réseau complexe de microstructurations d’une dizaine de micromètres et de cristaux de cire hydrophobe. Cet ensemble favorise une faible surface de contact avec les gouttes d’eau et entraine la formation d'un fin film d’air qui renforce le caractère hydrophobe donné par les cristaux de cire. Les angles de contact entre la l'eau et la feuille de lotus s'approchent de 180° rendant les gouttelettes quasiment sphériques ce qui leur permet de s'évacuer grâce à un mouvement de roulement [28].
Figure 1-12 - Double structuration de la surface d’une feuille de lotus : microstructures de quelques micromètres et cristaux de cire hydrofuge observées au MEB.
1.2.3. Texturation par voie physique et chimique
Le besoin de palier aux pertes par frottement peut être abordé par la fonctionnalisation de la surface. Le recours à l’ingénierie des surfaces offre une large variété de solutions technologiques adaptées à la plupart des interfaces mécaniques. L’ingénierie des surfaces est définie comme l’art de sélectionner, appliquer, et utiliser les différentes techniques permettant de modifier ou fonctionnaliser les surfaces, pour améliorer leur comportement tribologique.
Ces modifications de surfaces sont réalisées par des combinaisons entre des revêtements et des traitements de surface. Les différentes techniques sont citées ci-dessous (liste non exhaustive) (Tableau 1-1).
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Tableau 1-1 - Différentes techniques de traitement et revêtements de surface.
Les techniques de gravure par réaction ionique, par arc d’air pulsé, lithographie, photolithographie et déformation mécanique sont les plus référencées dans la littérature en raison de leurs mises en œuvre aisées. D’autre part, ces techniques connaissent un engouement pour l’étude de leurs impacts sur le comportement tribologique.
Jusqu’à présent, seules des techniques d’ingénierie de surface ont été présentées afin d’illustrer des exemples de surfaces fonctionnalisées. Un autre point de départ serait de considérer le matériau et non plus la surface pour influencer le comportement tribologique. Un des matériaux qui présente une texturation interne pertinente pour le sujet traité est la fonte à graphite sphéroïdal. Ce travail d’élaboration repose sur le diagramme de phase des éléments Fe et C, des phases appelées d’inoculation et sphéroïdisation, termes consacrés en métallurgie aux périodes de création et formation du graphite sous forme de nodules sphéroïdaux. Il est possible de mettre en œuvre une telle fonte où les nodules de graphite seraient de taille micrométrique [29]. On observe cette microstructure par attaque chimique de la fonte (Figure 1-13). Le graphite est connu pour ses qualités lubrifiantes (disposition en feuillets ou lamelles de la structure du graphite).
• thermiques • mécaniques
• thermochimiques de diffusion
• thermochimiques de conversion électrochimiques de conversion • dépôts métalliques diffusés
• implantation ionique
Traitements de surface
• par voie électrolytique • par voie chimique • par enduction
• par projection thermique • de céramique par slurry coating
• dépôts physiques en phase vapeur (PVD) • dépôts chimiques en phase vapeur (CVD)
• dépôts physiques en phase vapeur assités par plasma (PACVD ou PECVD)
• surfaçage par frottement • soudage de frottement • glaçage ou dopage par LASER
Revêtements de
surface
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Figure 1-13 - Observation au microscope optique d’une attaque chimique d'une fonte à graphite sphéroïdal. Afin de compléter cet exemple de fonctionnalisation du matériau, il suffit d’ajouter une étape de finition de surface. L’abrasion par polissage à deux corps puis trois corps d’une telle surface (Figure 1-14) permet d’expulser le graphite présent et de créer des cavités naturelles. Une étude démontre la faisabilité en exposant les différentes étapes de mise en œuvre (métallurgie, polissage abrasif avec la cinétique d’abrasion de la surface) [30]. L’intérêt de ce processus est de cumuler le rôle lubrifiant du graphite en situation tribologique ainsi que la forme nodulaire favorable à la création de portance et/ou piégeage de débris.
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1.2.4. Texturation par L.A.S.E.R.
Cette partie s’intéresser à la texturation par L.A.S.E.R. - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Il est nécessaire d’évoquer certaines notions indispensables à la compréhension du fonctionnement d’un LASER : l’augmentation d’énergie et la désexcitation pour créer l’effet LASER.
Lorsque l’on excite une zone, appelée milieu actif, et comportant un grand nombre d’atomes, l’énergie de ceux-ci augmente, ce qui provoque un gain de niveaux d’énergie. Ce processus étant instable, la majorité des atomes repasse à un niveau d’énergie intermédiaire dans un temps court, ne provoquant pas d’émission de lumière. L’arrivée d’un photon incident va permettre la désexcitation d’un de ces atomes qui émet alors un photon identique en phase et direction : c’est l’effet LASER.
Les LASER émettent un faisceau impulsionnel. La durée d’impulsion constitue le point fondamental sur lequel repose la sublimation de la matière dans le cas du LASER femtoseconde. Ce type de LASER fournit un faisceau de puissance moyenne 1W mais les impulsions sont très intenses. La puissance générée instantanément se situe entre 109 et 1015 W soit gigawatt et pétawatt. La physique de l’usinage LASER femtoseconde et des interactions LASER-matière posent encore beaucoup de questions. Ces divers procédés modifient non seulement la nature des surfaces mais aussi leur topographie de surface sur des échelles allant du millimètre au nanomètre, soit 6 décades. Des variations morphologiques variant sur une à deux décades peuvent parfois être engendrées par un même procédé. Ces techniques au sens topographique sont complexes. Il s’agit d’aspects multi échelles et multi processus qui seront évoqués dans le chapitre suivant.
1.3. Influence de la texturation de surface en régimes de lubrification
variés
1.3.1. Frottement sec
En l'absence de lubrifiant, le fonctionnement d’un contact mécanique génère le plus souvent la formation de débris d’usure, appelés ‘troisième corps’ par certains tribologues en raison du rôle qu’ils jouent entre les deux corps primaires [31, 32]. Le comportement du troisième corps a pu être étudié notamment dans le cadre du fretting [33, 34] Il s’agit du cas de frottement entre deux surfaces où le mouvement est alterné et de faible amplitude, inférieure à la taille de contact. Dans ces conditions les endommagements se propagent selon 4 mécanismes principaux d’usure : usure par oxydation, par abrasion, par adhésion et par fatigue [33, 35]. L’étude récente de Varenberg et al. [36] statue sur le rôle des débris dans le contact en faisant la différence entre deux voies possibles d’évolution : soit les débris protègent la surface en formant un lit aux propriétés lubrifiantes, soit ils sont abrasifs et participent à l’endommagement de la interface (si l’usure est de nature abrasive).
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L’intérêt potentiel de la texturation pour les composants mécaniques soumis à des sollicitations de fretting–fatigue a été démontré par Volchok et al. [36, 37]. Les résultats qui proviennent d’un nombre limité d’essais d’endurance sur un contact cylindre/plan aboutissent au doublement de la durée de vie des surfaces grâce à une texturation de type réseau de microcavités (diamètre 100 µm, profondeur de 2,5 à 32 µm, taux de texture 25 %). Les conditions tribologiques testées correspondent à un débattement de 7 mm, à une fréquence de 25 Hz et une force normale de 350 N, à température ambiante. L’effet observé est attribué à l’emprisonnement des particules d’usure au sein des microgéométries. Si la texturation ne conduit pas elle-même à une génération supplémentaire de débris ou à la consommation de tribofilms protecteurs, le piégeage des particules émises peut ainsi constituer un mécanisme efficace de réduction du frottement et de l’usure, en limitant leurs composantes dues à l’abrasion et à la déformation des surfaces par le troisième corps.
Suh et al. [38] ont étudié les effets de surfaces dites ondulées pour différents contacts non lubrifiés et ont montré que la création de rainures s'avère particulièrement efficace pour extraire les particules d’oxyde de l’interface, notamment dans le cas de contacts électriques [39]. Une publication ultérieure, dont sont issus les résultats de la Figure 1-15, résume les effets d’un réseau dense de microcavités de forme carrée qui réduit puis stabilise le coefficient de frottement. Le rôle de la texturation sur le comportement tribologique des disques de frein a été également étudiée par Mosleh et al.[40]. Lors d’essais sur tribomètre pion/disque, un ensemble de rainures radiales occupant 50 % de la surface frottante avec une profondeur de 100 µm, conduit également à un maintien du niveau de frottement simultanément à une diminution de moitié de l’usure du pion [41]. Pour optimiser le phénomène de piégeage des particules induit par la présence de la texturation, les résultats présentés suggèrent une meilleure efficacité des motifs ayant un volume important pour permettre une capacité de stockage suffisante, et un faible espacement afin de minimiser la taille des particules d’usure émises.
Figure 1-15 - Evolution du coefficient de frottement en fonction de la distance parcourue pour le couple Titane / Acier avec une surface lisse (a) et une surface texturée (b) [39].
Pettersson et al. [22] ont mené des expériences dans une configuration de type sphère (acier)/plan (wafer revêtu soit de TiN ou de DLC par PVD), avec une vitesse de 0,025 m/s (course de 2,5 mm et fréquence de 5 Hz), une pression de Hertz moyenne de 685 MPa (charge de 5 N) correspondant à une taille de contact de 120 µm. L’ensemble des tests sont conduits pendant 1000 cycles. Les textures se présentent sous forme de rayures rectilignes ou de carrés de dimensions 5, 20, 50 µm de côté pour 5 µm de profondeur. Les auteurs constatent que les surfaces texturées revêtues de TiN provoquent une usure importante de la sphère en acier jusqu'à ce que les cavités soient
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complètement remplies de débris agglomérés. De la même manière, lorsque la surface est recouverte de DLC, les surfaces lisses se caractérisent par un meilleur comportement en frottement et en usure que les surfaces texturées pour lesquelles le tribofilm formé est moins épais et a une extension spatiale moindre (Figure 1-16).
Figure 1-16 - Images MEB de la surface de sphères en acier ayant frotté contre une surface DLC lisse (a) ou une surface DLC texturée b) en frottement sec pendant 1000 cycles [22].
Récemment un certain nombre de chercheurs se sont intéressés à la synergie d'une texturation de surface de type micro cavités de forme hémisphérique couplée à un dépôt de films minces [42-46]. Dans les travaux de Basnyat et al. [42], une surface d’acier (M-50) est recouverte d’un film TiAlCN sur laquelle une gravure ionique est ensuite réalisée pour constituer un réseau de cavités, de diamètre 70 µm, de profondeur 1 µm et de densité 25 %. Sur cette surface texturée, un lubrifiant solide à structure lamellaire de type MoS2 est déposé de manière à remplir les cavités. Ces surfaces sont
capables de s'adapter aux conditions environnementales : le lubrifiant solide fournit à l’interface une alimentation supplémentaire en lubrifiant solide contenu dans les cavités. On parle alors de surfaces composites appelées ‘surfaces caméléons’ car elles s’activent selon la situation. Dans le cadre de l’article, la durée de vie est augmentée d’un facteur 1,5 comparativement aux dépôts non texturés. La difficulté réside dans les choix des matériaux, de la composition du lubrifiant solide et des paramètres de textures qui constitueront une structure multi couche adaptée.
1.3.2. Frottement en régime Limite (LL)
Pour minimiser l’usure de pièces frottantes, le meilleur moyen consiste à éviter tout contact solide en utilisant le phénomène de portance hydrodynamique qui permet à un liquide en mouvement de séparer les surfaces via la création d'un film visqueux. Pour que ce régime de lubrification dit "hydrodynamique" s'établisse, il est nécessaire que les solides possèdent une vitesse relative supérieure à une valeur seuill qui dépend essentiellement de la viscosité du fluide, de la charge
normale appliquée sur le contact et de la géométrie de ce dernier [47].
Si la vitesse relative des solides est inférieure à ce seuil, le film fluide s'amincit au point que des contacts directs transitoires ou permanents entre les aspérités sont possibles. L'importance de leur contribution au transport de la charge détermine le passage du régime de lubrification mixte au régime de lubrification limite pour lequel la composante visqueuse du coefficient de frottement s'annule. Si la frontière entre les deux régimes de lubrification limite et mixte est nette d’un point de vue théorique, son positionnement expérimentale relève du challenge et la distinction dans les
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publications est rarement faite. Il est fréquemment fait allusion à un balayage de paramètres expérimentaux influents sur le contact tels que la vitesse, l’effort normal et la viscosité du lubrifiant. Des transitions éventuelles sont observées mais rarement explicitées. Pour ces raisons, dans la suite de ce paragraphe les régimes mixte/limite ne seront pas différenciés.
De nombreuses définitions de la lubrification limite jalonnent la littérature depuis des années. Dans ce travail, nous retiendrons qu'il s'agit du régime correspondant au cas où les solides frottants sont séparés par un film de lubrifiant dont l’épaisseur moyenne, induite par les conditions opératoires, est plus petite que la hauteur des aspérités des solides. Dans ce cas, malgré la formation de jonctions solides, une partie importante de la charge est supportée par des couches de molécules adsorbées sur les surfaces.
Ce régime apparaît également en présence d’excès de lubrifiant lorsque la charge appliquée entre les solides est importante et la vitesse relative des solides est faible. C’est le cas de tous les mécanismes fonctionnant normalement en régime hydrodynamique lors des périodes transitoires de démarrage et d’arrêt, ou encore lorsque des particules solides s'intercalent dans l'interface de contact, dont l’épaisseur est proche des dimensions de ces particules. Elles peuvent provenir de l’usure des surfaces ou de la pollution de l’extérieur.
Kovalchenko et al. [48] ont publié en 2005 des travaux dans lesquels ils ont comparé des courbes de type Stribeck caractéristiques de surfaces lisses et de diverses surfaces texturées en choisissant des conditions expérimentales permettant de couvrir les régimes de lubrification Limite/Mixte/EHD/HD. Dans cette étude, un contact pion/plan est sollicité dans un domaine de pression variant de 0,16 à 1,6 MPa avec des vitesses de glissement allant de 0,015 m/s à 0,75 m/s. Les cavités réalisées par texturation LASER ont des diamètres de 58 à 78 µm, des profondeurs de 4 à 6,5 µm et des densités surfaciques, définies comme étant le rapport de la surface totale des cavités sur la surface totale, estimées selon les cas testés à 7 %, 12 % et 15 % (Figure 1-17(a))).
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Figure 1-17 - (a) Images en microscopie optique des surfaces lisses et texturées testées par Kovalchenko et al. [48] et évolutions du coefficient de frottement mesurées sur ces dernières (b) et (c), en fonction du temps de glissement et pour
les 9 paliers de vitesses examinés.
Les Figure 1-17 (b) et Figure 1-17 (c) montrent notamment que la transition ‘classique’ du régime de lubrification limite vers le régime Mixte/EHD, a priori due en partie à l’augmentation de la vitesse (traduisant l'émergence d'effets hydrodynamiques), observée pour des surfaces lisses n'apparaît plus avec des surfaces texturées ou en tout état de cause n'est plus détectable dans les conditions opératoires balayées dans ces travaux.
Dans ce type de lubrification, la texturation de surface peut donc jouer un rôle prépondérant en termes de piégeage de particules et/ou sur l’alimentation en lubrifiant. Suh et al. ont étudié le régime limite et ont observé une réduction de près de 30 % du coefficient de frottement pour un contact pion (en acier)/plan (en titane, rainuré transversalement) [49].
Tian et al. [50] ont caractérisé la réponse tribologique de surfaces en titane ondulées obtenues par lithographie dans une configuration de contact de type pin on disk, soit titane ‘ondulé’/ 100Cr6, soit titane ‘ondulé’/ titane, pour une vitesse de 0,011 m/s et une force normale de 5 N. Différentes formulations de lubrifiants sont testées. Les motifs présentent une largeur allant de 20 à 550 µm et une profondeur de 50 à 800 µm, soit un rapport profondeur sur diamètre variant de 1,45 à 2,5. Les motifs dont les largeurs sont les plus faibles donnent les frottements les plus faibles quel que soit le couple de matériau considéré. En revanche, les données exposées dans l’article ne permettent pas de connaitre le taux de couverture surfacique des motifs.
Les travaux de Pettersson et al. [51] détaillent l’influence de la texture dans le cas lubrifié. L'objectif de cette étude vise à analyser d'une part l’importance de l’orientation des textures vis-à-vis de la
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direction de glissement et d'autre part celle de la taille de contact par rapport à celle des motifs (Figure 1-18). Trois largeurs de rainures et cavités sont testées (5 µm, 10 µm, et 50 µm), pour un taux de couverture fixé à 25 %. La profondeur des motifs est de 5 µm, exception faite des moins larges dont la profondeur est 3,5 µm. Les résultats sont présentés Figure 1-18. Dans ce cas, la texturation de surface conduit à une amélioration substantielle des performances du contact, en supposant qu'elle apporte une source d’alimentation secondaire en lubrifiant. En régime limite suralimenté, le niveau de frottement est insensible à la forme de microtexturation testée, ce qui confirme les conclusions précédentes. Cependant, la tenue mécanique du dépôt de DLC reste intimement liée au choix du réseau texturé.
Figure 1-18 - Tableau récapitulant les réponses en frottement de surfaces DLC texturées en contact sous alimenté démontrant l'importance de l'orientation et des tailles textures par rapport à la taille de contact de Hertz, ici de 120 µm
[51].
Une étude récente portant sur des surfaces recouvertes de films DLC texturées obtenues selon un processus identique au cas précédent (photolithographie) a été effectuée par Chouquet et al. [52] sur des contacts lubrifiés dont le diamètre hertzien vaut 94 µm. Ceux-ci ont montré également l’impact de la morphologie et de l’organisation des motifs consistant en des cavités hémisphériques de diamètre 65 µm et 7 µm, de profondeurs 1,3 µm et 0,3 µm, avec une densité de 14 %. Les paramètres expérimentaux et les images MEB suggèrent un fonctionnement du contact en régime limite. Dans ces conditions, les surfaces recouvertes des motifs de plus grande taille (65 µm) et les plus profondes (1,3 µm) se distinguent par un niveau de frottement élevé de 0,09 contre 0,07 pour la surface revêtue (DLC) lisse, notée surface de référence (Figure 1-19 et Figure 1-20).
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Figure 1-19 - Observation au MEB de la trace de frottement sur la surface dite de référence et du frotteur [52].
Figure 1-20 - Observation au MEB de la trace de frottement sur la surface texturée de diamètre 65 µm et de profondeur 1,3 µm ainsi que du frotteur [52].
Pour un diamètre maintenu constant et avec une profondeur plus faible (0,3 µm), le frottement reste similaire au cas de référence, alors que pour les textures de diamètre plus faible (7 µm), le frottement abaisse fortement la résistance au frottement (Figure 1-21).
Figure 1-21 - Récapitulatif des courbes de frottement en fonction du temps pour les différentes situations. L’échelle en ordonnée est identique sur chaque graphe pour faciliter la comparaison [52].
En mesurant les densités surfaciques de cavités à partir des images MEB, on peut constater que 44 petits motifs (diamètre 7 µm) sont piégés dans le contact à un instant t. Or les grands motifs (diamètre 65 µm) sont considérés présents statistiquement car la densité est trop grande au vue de la taille de contact (94 µm). A priori, une seule cavité peut passer dans le contact mais rarement dans son intégralité. Ces considérations surfaciques de probabilité de présence d’une texture dans le contact peuvent expliquer les résultats de frottement énoncés ci-dessus.
Les procédés d’obtention des motifs sur les surfaces influent sur leur comportement tribologique, comme l'illustrent les travaux de Nakatsuji [53] qui ont été menés sur deux types de surface : rectifiées puis indentées et indentées puis polies par électrolyse. Elles sont caractérisées par les paramètres statistiques traditionnels de description morphologique des surfaces, à savoir le moment d'ordre 3 et la moyenne de la distribution de hauteur des aspérités, notées respectivement Rsk et Ra
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effets bien distincts dans le cadre d’une expérience sur une géométrie de contact cylindre/cylindre détaillée Figure 1-22.
Figure 1-22 - Schéma du dispositif expérimental présentant l'élément texturé et la disposition des motifs [53]. Les valeurs de Rsk des différentes surfaces sont représentatives de la répartition de la distribution de
hauteurs. Une topographie où des vallées sont présentes est marquée par des valeurs de Rsk
négatives. Les surfaces dont Rsk <0 se révèlent être celles où le coefficient de frottement est le plus
bas. Toute chose étant égale par ailleurs, cette même surface induit la plus grande épaisseur de film de lubrifiant interfacial. Les auteurs interprètent ce résultat par un effet réservoir à lubrifiant des motifs. Afin de consolider leur théorie, une analyse numérique 2D est menée. Elle porte sur un contact élastique entre un élément massif lisse et un élément texturé où les motifs sont remplis d’un fluide incompressible. La mise en contact numérique est réalisée statiquement et dans les mêmes conditions que l’expérience. Cette analyse numérique indique que 0,24 % de l’huile piégée serait éjecté du motif.
Dans les travaux de Wakuda [54], deux procédés d’obtention de cavités sont étudiés : Abrasive Jet Machining (AJM) et LASER Beam Machining (LBM). Le premier procédé (AJM) donne une morphologie proche d’une calotte sphérique et le second (LBM) se différencie par des pentes plus élevées en bordure de cavité comme l'indique la Figure 1-23.
Figure 1-23 - Image MEB et profil de la cavité issue des procédés AJM et LBM [54].
Le protocole expérimental est le suivant : la configuration du contact est de type cylindre / plan, le cylindre est en acier et le plan texturé est en céramique (Si3N4), la pression moyenne de contact
s'élève à 0,78 GPa, la vitesse varie de 0,012 à 1,2 m/s et le lubrifiant additivé est chauffé à 80°C. Les textures étudiées sont constituées de cavités ayant des diamètres de 40, 80 ou 120 µm, une profondeur de 5 µm, avec un taux de couverture des surfaces respectivement de 7,5, 15 et 30 %.
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Cette étude paramétrique conclut que le coefficient de frottement diminue lorsque la taille de contact de Hertz est inférieure à la taille des cavités. Ce résultat va à l’encontre de la majorité des études observées dans la littérature. Cet article est clairement critiqué dans les travaux suivants [51, 55-57] où le contraire est observé : le coefficient de frottement se trouve réduit pour des motifs dont la taille est inférieure à celle de la largeur de contact.
Le processus de modification de la surface peut avoir une influence couvrant plusieurs échelles de topographie. On parle d’effets multi échelles. Dans les articles de Nakatsuji et Wakuda présentés ci-dessus, deux échelles sont traitées : millimètres et micromètres. La qualité au sens de la sensibilité sur une décade dans l’exemple considéré, repose sur les moyens d’essais mis à disposition : tant au niveau des dispositifs métrologiques qu’au niveau des dispositifs tribologiques. Les résultats très inattendus exposés dans l’article de Wakuda confirment la difficulté de la problématique.
Krupka et Hartl se sont intéressés au comportement tribologique, en régime mixte, de surfaces texturées obtenues par indentation (déformation plastique à l’aide d’un indenteur de Rockwell). L’utilisation de l’interférométrie à ondes multiples pratiquée sur un disque revêtu d’une couche de Cr semi réfléchissante en contact avec une sphère en acier a permis aux auteurs d’observé une résistance à l’usure accrue pour des motifs avec une géométrie très spécifique (profondeur 0,2 à 0,3 µm et diamètre inférieur à 10 µm) [58] (Figure 1-24). Des traces d’usure sont visibles après test, soit sur les surfaces lisses, soit dans les zones ‘entre les motifs’ sur les surfaces texturées. Cet effet est expliqué par la réduction des interactions aspérités - aspérités des surfaces frottantes texturées. Ce point avancé par les auteurs est discutable en raison de l’état de surface des sphères. On observe de nombreuses traces provenant de l’étape de polissage par abrasion. De plus, très peu de renseignements sont données concernant le minima de profondeur, de taille et de densité des motifs à l’issu des manipulations.
Figure 1-24 - Interférogrammes de contacts sphère / plan de rayon 0,162 mm montrant la surface texturée avant frottement a) et après frottement b) et idem pour la surface lisse avant frottement c) et après frottement d) [57].
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D’autres travaux concernant l'étude d'une surface texturée réalisée par indentation ont été effectués par Pawlus et al. [59-62]. Il s’agit de motifs à une autre échelle, les réservoirs à lubrifiants étant de tailles millimétriques (Figure 1-25). Koszela [61] détermine un ratio optimal de densité surfacique texturée de l’ordre de 26 % (motifs de diamètre de 1050 µm et de profondeur de 115 µm sur une surface en acier) permettant une diminution de 27 % de l’usure en comparaison à des surfaces lisses sollicitées dans les conditions tribologiques similaires. Ce ratio ne doit pas être plus grand en raison de l’augmentation de la pression ce qui conduirait à amplifier l’usure des surfaces. La même étude est conduite en changeant de matériau (bronze). La densité surfacique présentant le taux d’usure le plus faible est de 26 % et ne varierait donc pas selon le matériau utilisé, acier ou bronze.
Figure 1-25 - Illustration des échantillons texturés par déformation plastique [61] (les diamètres des motifs sont 1050 µm et 1550 µm pour des profondeurs allant de 45 à 115 µm).
Dans les travaux [60, 61], les éléments texturés sont fixes ; dans l’étude suivante [62], la surface texturée est en mouvement et en acier (Figure 1-26 (a)). Pawlus préconise dans ce cas une morphologie circulaire - Figure 1-26 (b) - et non en forme de goutte - Figure 1-26 (c)- ainsi qu’un ratio de densité surfacique de 12,5 % pour minimiser le taux d’usure. Pawlus proposent une corrélation entre les courbes d’Abbott-Firestone, qui quantifient la capacité d'une surface à porter la surface antagoniste et à retenir le lubrifiant, et les évolutions respectives du comportement tribologique des différentes surfaces texturées. Nous reviendrons plus précisément sur la courbe d’Abbott Firestone au chapitre 2.
